저전력 환경에서 디스플레이 휘도를 실시간으로 최적화하는 방법

액정 표시 장치(LCD)는 온도 조절기, 의료용 핸드헬드 단자, 자동차 클러스터, 태블릿, 노트북 컴퓨터 등 모든 응용 분야에서 사용됩니다. 이러한 응용 분야에서 설계자는 최소한의 전력만 사용하면서 눈의 피로 없이 디스플레이의 가독성을 최대한 높이는 방법을 잘 알고 있어야 합니다.

이러한 요구 사항을 지원하기 위해 주변 광센서(ALS)에서 주변광 휘도를 먼저 감지하여 디스플레이 휘도를 결정할 수 있습니다. ALS는 디스플레이 화면 뒤에 실장해야 합니다. 여기에서 주변광 수준에 따라 전력 소비를 최소화하는 허용 디스플레이 휘도가 결정됩니다.

이 기사에서는 세 가지 ALS 기술의 기능을 평가하고, 에너지를 절약하면서 적절한 화면 휘도를 제공하도록 LCD 화면의 조도 및 전력 조정 과제를 해결합니다.

정확한 시각적 대역 측정

LCD 조명 최적화의 첫 번째 단계에서는 ALS를 사용하여 주변광을 정확하게 감지합니다. 가시광선의 파장 범위는 약 400nm~750nm(그림 1)입니다. 광 다이오드(무접점 장치)는 이 응용 분야에서 가장 논리적인 주변광 조건 감지 장치입니다. 광 다이오드는 빛을 전류로 변환합니다.

그림 1: 가시광선은 전자기 스펙트럼의 일부(400nm~750nm)입니다. (이미지 출처: ECN)

실리콘 광 다이오드의 조명 감도 범위(약 300nm~1,100nm)가 인간의 가시 범위와 일치하지는 않지만, 겹치는 부분이 있는데 바로 그 부분이 도움이 됩니다(그림 2).

그림 2: 인간의 눈 스펙트럼 반응과 실리콘 광 다이오드의 스펙트럼 반응을 비교하는 그래프로, 겹치는 유용한 영역을 보여줍니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

이 설계의 첫 번째 과제는 광 다이오드 신호에서 인간의 눈 스펙트럼 범위를 캡처하는 것입니다.

인간 스펙트럼 반응으로 변환

사용자는 모든 머신과 계측 장비가 시각적 요구 사항에 매핑되는 것으로 기대합니다. ALS는 장치 디스플레이에서 조도를 측정합니다. 광학 필터링을 적용하지 않을 경우 이 측정값에는 가시광선, 자외선(UV), 적외선(IR)이 포함됩니다. UV 신호와 IR 신호가 결합하여 주변 가시광선이 더 밝게 보이도록 합니다. 따라서 디스플레이의 백라이트 컨트롤러 출력이 광순응하거나 사람이 주변광 조건 이하의 디스플레이에 불편한 반응을 보이게 됩니다.

정밀한 매핑을 위해 설계자는 광 다이오드, 광학 필터, 증폭기 및 컨버터를 사용하여 주변광을 수정해야 합니다. 이 수정 작업은 이러한 소자를 단일 ALS 장치로 통합함으로써 쉬워졌습니다. ALS의 목적은 센서의 출력에서 IR 및 UV 요소를 제거하고, 전체 LCD 조도는 편안한 수준으로 유지하면서 인간의 눈 스펙트럼 반응만 표시하는 것입니다(그림 3).

그림 3: OPT3001 ALS에서는 광학 필터링과 기타 내부 부품 및 계산을 활용하여 입력 주변 신호를 인간의 눈 스펙트럼 반응에 매핑할 수 있습니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

이처럼 향상된 반도체 특성으로 인해 새로운 응용 분야가 등장했습니다. 이 응용 분야의 장치에는 3원색(RGB)인 빨간색, 녹색, 파란색을 개별적으로 감지할 수 있는 컬러 필터가 포함되어 있습니다.

특수 UV 및 IR 광학 필터

ALS 장치는 빨간색, 녹색, 파란색 및 투명 광학 필터의 이점을 활용하여 4개의 개별 광 다이오드로 4가지 광 스펙트럼을 감지합니다. 여기서 투명 필터는 필터링되지 않은 광(조명)을 광 다이오드로 보냅니다. ALS는 필터링된 4가지 광 다이오드 신호를 사용하여 3원색(RGB)을 디지털 방식으로 반환하고, 4번째로 주변 반응을 반환하며, 5번째로 적외선을 차단합니다(IRCUT). 높은 감도, 넓은 작동 범위 및 5개의 필터를 갖춘 ALS는 다양한 광 조건에서 사용하기에 이상적인 컬러 센서 솔루션입니다.

ALS 솔루션을 생산하는 벤더에는 ROHM Semiconductor, ams, Texas Instruments, ON Semiconductor, OSRAM Opto Semiconductors, Inc, Vishay Semiconductor/Opto Division 등이 있습니다. 이제 ROHM Semiconductor, ams, Texas Instruments의 ALS 장치를 평가해 보겠습니다.

IRCUT 필터를 사용하는 ROHM Semiconductor ALS 장치

ROHM Semiconductor BH1745NUC-E2 디지털 16비트 직렬 출력 유형 컬러 센서 IC의 대상 응용 분야는 TV, 휴대 전화 또는 태블릿 PC의 LCD 백라이트를 조정하는 ALS입니다.

BH1745NUC-E2는 투명 필터를 통해 자외선 및 적외선을 감지하고 빨간색, 녹색, 파란색 필터 전에 IRCUT 필터를 사용합니다(그림 4).

그림 4: ROHM의 BH1745NUC-E2 디지털 16비트 직렬 출력 유형 컬러 센서 IC는 IRCUT 필터 외부에 투명 필터가 있습니다. (이미지 출처: ROHM)

BH1745NUC-E2에서는 IRCUT 필터가 빨간색, 녹색, 파란색 광학 필터 전에 사용되어 인간의 스펙트럼 반응이 아날로그 디지털 컨버터(ADC)까지 통과할 수 있도록 해줍니다. IRCUT 필터는 가시광선은 통과시키고 적외선은 차단합니다. 투명 필터는 인간에게 사실적인 조광 알고리즘을 생성하여 정확성과 낮은 전력 소비를 지원합니다. 각 16비트 ADC의 이득은 시각적 경험에 가장 정확한 매핑을 생성하도록 미리 프로그래밍되어 있습니다(그림 5).

그림 5: BH1745NUC-E2 빨간색, 녹색, 파란색, 투명(RGBC) 스펙트럼 반응 (이미지 출처: ROHM)

BH1745NUC-E2는 넓은 작동 범위(0.005~40k lux) 및 탁월한 IRCUT 특성으로 인해 주변광의 조도 및 색온도를 얻는 데 적합합니다.

다른 모든 필터에 대해 사전 필터링을 수행하는 ams ALS IR 필터

IR 필터를 갖춘 ams TCS34727FN 컬러 조명 디지털 컨버터의 대상 응용 분야는 TV, 모바일 핸드셋, 태블릿, 컴퓨터, 모니터입니다. 현재 TCS34727FN ALS 전략에서는 5개의 광학 필터를 포함하는 다른 구성을 사용합니다. TCS34727FN의 필터 구성을 보면 처음 4가지(빨간색, 녹색, 파란색, 투명) 컬러 필터에 모두 IR 차단 필터를 사용합니다(그림 6).

그림 6. TCS34727FN 16비트 ALS 장치에는 다른 4개의 필터를 차단하는 IR 필터 스크린이 있습니다. (이미지 출처: ams)

TCS34727FN 장치에는 증폭된 광 다이오드 전류를 16비트 디지털 값으로 동시에 변환하는 4가지 결합 ADC가 있습니다. IR 차단 필터는 통과하는 빛을 최소화하여 적외선 스펙트럼 부품이 정확한 색을 측정할 수 있도록 합니다. 높은 감도, 넓은 작동 범위 및 IR 차단 필터를 갖춘 ALS는 다양한 광 조건(그림 7)에서 사용하기에 이상적인 컬러 센서 솔루션입니다.

그림 7: TCS34727FN RGBC 스펙트럼 반응은 각 광학 필터의 특성과 각 ADC의 이득을 지정합니다. (이미지 출처: ams)

TCS34727FN의 응용 분야는 휴대폰, 노트북, TV처럼 조명 환경을 감지하는 디스플레이 기반 제품입니다. 이 장치는 최적의 시야 및 전력 절감을 위한 자동 디스플레이 휘도를 효과적으로 실현합니다. TCS3472는 광각 측정 사이에 저전력 대기 시간을 두어 평균 전력 소비를 더 낮출 수 있습니다.

적외선의 99%를 차단하는 Texas Instruments ALS

Texas Instruments OPT3001DNPT ALS의 대상 응용 분야는 백라이트 제어, 조명 제어 시스템, 태블릿, 노트북 컴퓨터 등입니다. 이 장치는 인간의 눈 반응에 상응하는 센서 스펙트럼 반응을 사용하여 가시광선의 강도를 측정합니다(그림 8). 이를 위해 감지된 조명을 통합 ADC로 전달하기 전에 적외선의 99% 이상을 차단하는 프런트 엔드 광학 필터가 탑재되어 있습니다.

그림 8: Texas Instruments OPT3001 시스템 제품 구성도에서는 감지된 신호를 통합 ADC에 전달하기 전에 99% IR 차단을 제공하는 광학 필터를 보여줍니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

ADC는 자동 이득 범위 조정으로 23비트 유효 작동 범위를 제공합니다. 이 단일칩 럭스 계량기는 가시광선의 강도를 측정하는 동안 적외선 신호를 차단합니다. 광원에 상관없이, OPT3001의 정밀 스펙트럼 반응 및 강력한 IR 제거 기능은 장치가 인간의 눈에 보이는 조도를 정확히 측정할 수 있도록 합니다.

강력한 IR 제거는 산업 설계에서 미학을 위해 암유리 아래에 센서를 실장해야 하는 경우 높은 정확도를 유지하는 데 도움이 됩니다.

백라이트 디스플레이에서 발생할 있는 중요한 문제는 다양한 광입력과 소스에서 광 측정값이 변경될 수 있다는 것입니다. 예를 들어, 암유리는 적외선 신호를 전송합니다. 백열전구는 유리 투과율로 인해 센서에 도달하는 적외선 파장이 높습니다. 99%의 IR 차단율을 자랑하는 OPT3001은 가시 영역 내에서만 측정하고 인간의 눈 반응을 4가지 결합 ADC 반응에 매핑합니다(그림 9).

그림 9: OPT3001은 가시광선 스펙트럼과 인간의 눈 반응(왼쪽)을 캡처하여 4가지 결합 ADC 반응(오른쪽)으로 매핑합니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

OPT3001에는 인간 눈의 반응을 확보하기 위해 입력 광 수준에 자동으로 반응하는 자동 이득 설정 기능이 있습니다. 이 장치는 우수한 해상도의 최적 범위 내에서 유지되고 범위 간에 정확성이 높습니다. 이득 범위 사이의 상대 정확도는 0.2%입니다.

결론

ALS를 통해 가시광선의 강도를 측정하면 최소한의 전력만 소비하면서 사용자에게 가독성이 뛰어난 LCD 디스플레이를 제공할 수 있습니다. 각 제조업체의 목표는 광원 또는 응용 제품에 상관없이 최소 전력을 유지하면서 이러한 센서의 스펙트럼 반응을 인간 눈의 반응에 일치시키는 것입니다(예: 현저한 적외선 제거).

그렇지만, 이 기사에서 소개한 각 ALS는 광학 필터링 스타일, 시각적 색 증폭, ADC 해상도, 만족도가 모두 다르므로 이는 매우 주관적입니다. 따라서 ALS 장치의 결과는 오디오 산업의 과제와 유사합니다. 즉, 솔루션의 모양과 소리에 대한 호불호는 개인의 취향에 따라 달라집니다. 이는 LCD 설계에서 설계자의 창조성과 차별화가 필요한 이유이기도 합니다.